模擬電子技術(shù)7-1

1、傳感器傳感器接收器接收器隔離、濾波隔離、濾波放大、阻抗放大、阻抗變換變換運算、轉(zhuǎn)運算、轉(zhuǎn)換、比較換、比較功率放大功率放大A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換第七章第七章第八章第八章第九章第九章信號的產(chǎn)生信號的產(chǎn)生電子信息系統(tǒng)的供電電源電子信息系統(tǒng)的供電電源第十章第十章信號的運算和處理信號的運算和處理第第 七七 章章一、概述一、概述 1、電子系統(tǒng)簡介、電子系統(tǒng)簡介回顧：回顧：運算放大器的兩個工作區(qū)域（狀態(tài)）運算放大器的兩個工作區(qū)域（狀態(tài)）運放的電壓傳輸特性：運放的電壓傳輸特性：設(shè)：電源電壓設(shè)：電源電壓VCC=10V 運放的運放的Au=104Ui1mV，運放于線性區(qū)，運放于線性區(qū)Au越大，線性區(qū)越小，越大，線性區(qū)越小，

2、當(dāng)當(dāng)Au時，線性區(qū)時，線性區(qū)0理想運算放大器：理想運算放大器：開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù) Au=差摸輸入電阻差摸輸入電阻 Rid=輸出電阻輸出電阻 R0=0為了工作在線性區(qū)，必須給運放電路引入負(fù)反饋：為了工作在線性區(qū)，必須給運放電路引入負(fù)反饋：理想運放工作在線性區(qū)的條件：理想運放工作在線性區(qū)的條件： 電路中有負(fù)反饋！電路中有負(fù)反饋！運放工作在線性區(qū)的分析方法：運放工作在線性區(qū)的分析方法： 虛短（虛短（U+ = U-） 虛斷（虛斷（ii+ = ii- = 0）2、理想運放的參數(shù)特點、理想運放的參數(shù)特點 Aod、 rid 、fH 均均為無窮大，為無窮大，ro、失調(diào)電壓及其溫漂、失調(diào)電壓及其溫

3、漂、失調(diào)電流及其溫漂、噪聲均為失調(diào)電流及其溫漂、噪聲均為0。 因為因為uO為有限值，為有限值， Aod，所以所以 uNuP0，即，即 uNuP虛短路虛短路因為因為rid，所以，所以 iNiP0虛斷路虛斷路電路特征：引入電壓負(fù)反饋。電路特征：引入電壓負(fù)反饋。無源網(wǎng)絡(luò)無源網(wǎng)絡(luò)3、集成運放的線性工作區(qū)、集成運放的線性工作區(qū) uOAod(uP uN)4、研究的問題、研究的問題（1）什么是運算電路：）什么是運算電路： 輸出電壓是輸入電壓某種運算的結(jié)果輸出電壓是輸入電壓某種運算的結(jié)果 加、減、乘、除、乘方、開方、積分、微分、對數(shù)、指數(shù)加、減、乘、除、乘方、開方、積分、微分、對數(shù)、指數(shù) （2）描述方法：運算

4、關(guān)系式）描述方法：運算關(guān)系式 uOf (uI)（3）分析方法：）分析方法：“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”是基本出發(fā)點。是基本出發(fā)點。（1）識別電路）識別電路（2）求解運算關(guān)系式）求解運算關(guān)系式5、學(xué)習(xí)運算電路的基本要求、學(xué)習(xí)運算電路的基本要求（4）怎樣組成運算電路？）怎樣組成運算電路？二、比例運算電路 1、反相輸入、反相輸入電路的輸入電阻為多少？電路的輸入電阻為多少？ R？為什么？為什么？若要若要Ri100k，比例系數(shù)為，比例系數(shù)為100，R1？ Rf？Rf太大，噪聲大。如何利用相對太大，噪聲大。如何利用相對小的電阻獲得小的電阻獲得100的比例系數(shù)？的比例系數(shù)？+_iN=iP=0，uN=uP=0

5、虛地虛地在節(jié)點在節(jié)點NRuiiRIFIffFOuRRRiu電壓并聯(lián)電壓并聯(lián)電路引入了哪種組態(tài)的負(fù)反饋？電路引入了哪種組態(tài)的負(fù)反饋？特點：特點： 1. .深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋，深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋，Auf = Rf / R2. 輸入電阻較小輸入電阻較小R if = R3. uIC = 0，對，對 KCMR 的要求低的要求低u+ = u = 0T 型反饋網(wǎng)絡(luò)，可以提高輸入阻抗型反饋網(wǎng)絡(luò)，可以提高輸入阻抗T 型反饋網(wǎng)絡(luò)反相比例運算電路型反饋網(wǎng)絡(luò)反相比例運算電路21IMRRuuI342142O)1 (uRRRRRRu？，則，若比例系數(shù)為？，則若要求3421ik100100k100RRRRR利用利用R4中有

6、較大電流來獲得較大數(shù)值的比例系數(shù)。中有較大電流來獲得較大數(shù)值的比例系數(shù)。432MO)(Riiuu1I12Ruii3M3 RuiI3142I142OuRRRRuRRRu432iiiP328-例例1IfOIPN)1 (uRRuuuu運算關(guān)系的分析方法：節(jié)點電流法運算關(guān)系的分析方法：節(jié)點電流法2 2、同相輸入、同相輸入1) 電路引入了哪種組態(tài)的負(fù)反饋？電路引入了哪種組態(tài)的負(fù)反饋？2) 輸入電阻為多少？輸入電阻為多少？3) 電阻電阻R？為什么？為什么？有虛短虛斷有虛短虛斷但沒有虛地但沒有虛地同相端對地添同相端對地添Rf，uo=？ 特點：特點：1. 深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，Auf = 1

7、 + Rf /R2. 輸入電阻大輸入電阻大R if = 3. ，對，對 KCMR 的要求高的要求高uIC = u iu+ = u = uIIPNOuuuu同相輸入比例運算電路的特例：電壓跟隨器同相輸入比例運算電路的特例：電壓跟隨器?oiRRP329-例例2三、加減運算電路三、加減運算電路 1 1、反相求和、反相求和3I32I211I321FPN 0RuRuRuiiiiuuRRR)(3I32I211IffFORuRuRuRRiu方法一：節(jié)點電流法方法一：節(jié)點電流法1 1、反相求和、反相求和I3fI2fI1fO3O2O1OuRRuRRuRRuuuu321方法二：利用疊加原理方法二：利用疊加原理 首

8、先求解每個輸入信號單獨作用時的輸出電壓，然后將所首先求解每個輸入信號單獨作用時的輸出電壓，然后將所有結(jié)果相加，即得的所有輸入信號同時作用時的輸出電壓。有結(jié)果相加，即得的所有輸入信號同時作用時的輸出電壓。I3fO3I2fO2uRRuuRRu32同理可得11IfO1uRRu2 2、同相求和同相求和 設(shè)設(shè) R1 R2 R3 R4 R Rf利用疊加原理求解：利用疊加原理求解： 令令uI2= uI3=0，求，求uI1單獨單獨作用時的輸出電壓作用時的輸出電壓 在求解運算電路時，應(yīng)選擇合適的方法，使運算結(jié)果在求解運算電路時，應(yīng)選擇合適的方法，使運算結(jié)果簡單明了，易于計算。簡單明了，易于計算。1I432143

9、2f1O)1 (uRRRRRRRRRu同理可得，同理可得， uI2、 uI3單獨作用時的單獨作用時的uO2、 uO3，形式與，形式與uO1同，同，uO =uO1+uO2+uO3 。 物理意義清楚，計算麻煩！物理意義清楚，計算麻煩！ 2 2、同相求和同相求和 設(shè)設(shè) R1 R2 R3 R4 R Rf)()1 (3I32I211IPfffPfORuRuRuRRRRRRuRRu)(3I32I211IfORuRuRuRu與反相求和運算電與反相求和運算電路的結(jié)果之差符號路的結(jié)果之差符號4321iiii4P3PI32PI21PI1RuRuuRuuRuuP43213I32I21I1)1111(uRRRRRuR

10、uRu)( )(4321P3I32I21I1PPRRRRRRuRuRuRu必不可少嗎？必不可少嗎？即對地電阻完全對稱若fRRR P3 3、加減運算加減運算 利用求和運算電路的分析結(jié)果利用求和運算電路的分析結(jié)果)(2I21I14I43I3fORuRuRuRuRu設(shè)設(shè) R1 R2 Rf R3 R4 R5)(I1I2fOuuRRu若若R1 R2 Rf R3 R4 R5，uO怎樣求？怎樣求？差分放大差分放大全對稱即兩輸入端對地電阻完利用疊加原理利用疊加原理V1O1UV320302O2UV2.1)20/30301 (30/203030/201 . 2O3UV35. 3)20/30301 (30/3020

11、30/305 . 3O4UV35. 35.252.131OU例例 1 求求UO利用疊加原理利用疊加原理I221211I12o)1 ()1 (uRRRRuRRu)I1I221)(1 (uuRRI112 )/1(uRR 例例 2 求求UO P 333-利用疊加原理利用疊加原理四、積分運算電路和微分運算電路四、積分運算電路和微分運算電路 1 1、積分運算電路積分運算電路RuiiRCI)(d11O IO21tutuRCutt)()(1 1O12IO21ItuttuRCuttu為常量，則在若tRuCuud1ICOtuCddotRCuuIo設(shè)設(shè) uC(0) = 0 時間常數(shù)時間常數(shù) = RC移相移相利用積

12、分運算的基本關(guān)系實現(xiàn)不同的功能利用積分運算的基本關(guān)系實現(xiàn)不同的功能1) 輸入為階躍信號時的輸出電壓波形？輸入為階躍信號時的輸出電壓波形？2) 輸入為方波時的輸出電壓波形？輸入為方波時的輸出電壓波形？3) 輸入為正弦波時的輸出電壓波形？輸入為正弦波時的輸出電壓波形？線性積分，延時線性積分，延時波形變換波形變換tRCuuIotuCiddI11R2 = Rf 0 u虛地虛地foFRuiF 1 ii 虛斷虛斷tuCRRiuddI1ffFORfC1 = 時間常數(shù)時間常數(shù)微分電路輸出電壓微分電路輸出電壓:2、微分運算、微分運算電路電路uItOuOtO2 2、微分運算電路、微分運算電路tuRCRiutuCi

13、iRCRddddIOI 為了克服集成運為了克服集成運放的阻塞現(xiàn)象和自放的阻塞現(xiàn)象和自激振蕩，實用電路激振蕩，實用電路應(yīng)采取措施。應(yīng)采取措施。限制輸限制輸入電流入電流限制輸出限制輸出電壓幅值電壓幅值滯后補償滯后補償基本運算電路應(yīng)用舉例基本運算電路應(yīng)用舉例例例 3 測量放大器測量放大器( (儀用放大器儀用放大器) )同相輸入同相輸入同相輸入同相輸入差分輸入差分輸入uo1uo2對共模信號：對共模信號：uO1 = uO2 則則 uO = 0對差模信號：對差模信號：R1 中點為交流地中點為交流地 )2/1(1I12O1，uRRu )2/1(2I12O2，uRRu )(o1o234OuuRRu )(21(

14、I2I11234uuRRRR )21(1234I2I1oRRRRuuuAu 為保證測量精度，需元件對稱性好為保證測量精度，需元件對稱性好u+ = u = usio = i1 = us / R11. 輸出電流與負(fù)載大小無關(guān)輸出電流與負(fù)載大小無關(guān)2. 恒壓源轉(zhuǎn)換成為恒流源恒壓源轉(zhuǎn)換成為恒流源特點：特點：例例 4 電壓電壓電流轉(zhuǎn)換器電流轉(zhuǎn)換器10 k 10 nF 時間常數(shù)時間常數(shù) = R1Cf = 0.1 ms)(d1o1If121tutuCRuCtt 設(shè)設(shè) uC(0) = 0tutd51 . 01o1 . 00ms1 . 0 = 5 VuI/Vt/ms0.10.30.55 5uO/Vt/ms5d)

15、5(1 . 01o3 . 01 . 0ms3 . 0 tut= 5 V5 5例例 5 利用積分電路將方波變成三角波利用積分電路將方波變成三角波例例 6 差分運算電路的設(shè)計差分運算電路的設(shè)計條件：條件：Rf = 10 k 要求：要求：uo = uI1 2uI2I21fOuRRu 1I3231f)1(uRRRRR 21f RRR1 = 5 k 31323 RRRR2 = 2R3R2/ R3= R1/Rf= 5/10R2= 10 k R3= 5 k 例例 7 開關(guān)延遲電路開關(guān)延遲電路電子開關(guān)電子開關(guān)當(dāng)當(dāng) uO 6 V 時時 S 閉合，閉合，V6f1IO tCRUu610510384 tms 1 tt

16、uOO6 V1 msuItO 3 VtusO 3 V例例 8解：為求和、減法、積分運算電路解：為求和、減法、積分運算電路 )(2I21I1fO1RuRuRuI343421f)1 (uRRRRRRtuRCud1O1ORuiiRIC對輸入電壓的極性和幅值有何要求？對輸入電壓的極性和幅值有何要求？RIulnUuuSITBEO五、對數(shù)運算電路和指數(shù)運算電路五、對數(shù)運算電路和指數(shù)運算電路1 1、對數(shù)運算、對數(shù)運算實用電路中常常采用措施實用電路中常常采用措施消除消除IS對運算關(guān)系的影響對運算關(guān)系的影響TBEeSCUuIi 利用利用PN結(jié)端電結(jié)端電壓與電流的關(guān)系壓與電流的關(guān)系集成對數(shù)運算電路集成對數(shù)運算電路

17、TBE1eS3IICUuIRuii113RIulnUuSITBE1SRTSREFTBE2 IIlnURIUlnUu同理，3RIulnUuuuRITBE1P2N23525211RIulnU)RR(u)RR(uRITN2OBEIuu 對輸入電壓的極性和幅值有何要求？對輸入電壓的極性和幅值有何要求？TIeOUuSRRIRiu2 2、指數(shù)運算電路、指數(shù)運算電路TIeEUuSRIii3 3、乘法、除法運算電路、乘法、除法運算電路六、模擬乘法器及其在運算電路中的應(yīng)用1、模擬乘法器簡介、模擬乘法器簡介1) 變跨導(dǎo)型模擬乘法器的基本原理變跨導(dǎo)型模擬乘法器的基本原理XcmcC2C1OuRgR)ii (uTTEQ

18、mUIUIg2eBE3YRuuIeTYBE3YRUuguum2，則若YXeTcO2uuRURu 實際電路需在多方面改進(jìn)，如線性度、溫度的影響、實際電路需在多方面改進(jìn)，如線性度、溫度的影響、輸入電壓的極性等方面。輸入電壓的極性等方面。可控恒流源差分放大電路的乘法特性可控恒流源差分放大電路的乘法特性-可變跨導(dǎo)乘法器可變跨導(dǎo)乘法器0yxuu 可正可負(fù)，但模擬乘法器輸入信號的四個象模擬乘法器輸入信號的四個象限限單象限乘法器單象限乘法器 ux、uy 皆為固定極性皆為固定極性二象限乘法器二象限乘法器 一個為固定極性，一個為固定極性，另一個為可正可負(fù)另一個為可正可負(fù)四象限乘法器四象限乘法器 ux、uy 皆為

19、可正可負(fù)皆為可正可負(fù)模擬乘法器輸入信號的四個象限模擬乘法器輸入信號的四個象限二象限可變跨導(dǎo)乘法器的工作原理二象限可變跨導(dǎo)乘法器的工作原理XbeOurRuC C3TE1Tbb be 2)1()1(IUIUrr XTC3O)1(2uUIRuC XTC3C2uUIR 當(dāng)當(dāng) uY uBE3 時，時，IC3uY/REYXYXTEO2uKuuuURRuC02TEURRKC要求要求 uY 0故為二象限乘法器故為二象限乘法器雙平衡四象限變跨導(dǎo)型模擬乘法器雙平衡四象限變跨導(dǎo)型模擬乘法器T1、T2、T5模擬乘法器模擬乘法器T3、T4、T6模擬乘法器模擬乘法器電流源電路電流源電路實現(xiàn)功能實現(xiàn)功能 uO = Kuxu

20、y 理想情況下，理想情況下，ri1、 ri2、fH為無窮大，為無窮大， 失調(diào)電壓、電流失調(diào)電壓、電流及其溫漂為及其溫漂為0，ro為為0， ux 、uy 幅值變化時幅值變化時 k 值不變。值不變。 有單象限、兩象限和四象有單象限、兩象限和四象限之分。限之分。2)2)模擬乘法器的符號及等效電路模擬乘法器的符號及等效電路YXOukuu )t(kUtsinkUutsinUu cos2 iiOiI1222222則若2 2、在運算電路中的基本應(yīng)用、在運算電路中的基本應(yīng)用2)2)乘方運算乘方運算1)1)乘法運算乘法運算I2I1Oukuu 實際的模擬乘法器實際的模擬乘法器k常為常為+0.1V-1或或0.1V-

21、1。 若若k= +0.1V-1，uI1= uI2=10V，則則 uO=10V。2IOkuu 實現(xiàn)了對正弦波實現(xiàn)了對正弦波電壓的二倍頻變換電壓的二倍頻變換 為使電路引入的是負(fù)反饋，為使電路引入的是負(fù)反饋，k和和uI2的極性應(yīng)如何？的極性應(yīng)如何？21ii 2 2、在運算電路中的基本應(yīng)用、在運算電路中的基本應(yīng)用3)3)除法運算除法運算I2I1OkuuRRu12運算電路中集成運放必須引入負(fù)反饋！運算電路中集成運放必須引入負(fù)反饋！1i2i 若集成運放的同相輸入端與若集成運放的同相輸入端與反相輸入端互換，則反相輸入端互換，則k和和uI2的的極性應(yīng)如何？極性應(yīng)如何？21RuRuOI1OI2I1OukuuRRu12212OIOkuuRRu為滿足上式，電路中為滿足上式，電路中uI、 uO、k的極性是什么？為什么？的極性是什么？為什么？3 3、開方運算、開方運算IOukRRu12 當(dāng)集成運放的負(fù)反饋通路中為某種運算電路，則整個當(dāng)集成運放的負(fù)反饋通路中為某種運算電路，則整個電路實現(xiàn)其逆運算，如除法運算電路、開方運算電路。電路實現(xiàn)其逆運算，如除法運算電路、開方運算電路。如何實現(xiàn)開如何實現(xiàn)開3次方運算電路？次方運算電路？若若uO0則有何變化？則有何變化？模擬乘法器在運算電路中的應(yīng)用